HFSS使用心得

和大部分的大型數(shù)值分析軟件相似，以有限元方法為基礎(chǔ)的Ansoft HFSS 并非是傻瓜軟件，對(duì)于絕大部分的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，想要得到快速而準(zhǔn)確的結(jié)果，必須人工作一定的干預(yù)。除了必須十分明了模型細(xì)節(jié)外，建模者本身也最好具備一定的電磁理論基礎(chǔ)。這里假定閱讀者使用過(guò)HFSS，因此對(duì)一些屬于基本操作方面的內(nèi)容并不提及。
1、對(duì)稱(chēng)的使用
    對(duì)于一個(gè)具體的高頻電磁場(chǎng)仿真問(wèn)題，首先應(yīng)該看看它是否可以采用對(duì)稱(chēng)面。這里面的約束主要在幾何對(duì)稱(chēng)和激勵(lì)對(duì)稱(chēng)要求。如果一個(gè)問(wèn)題的激勵(lì)并不要求是可改變的，比如全部同相饋電的陣列，此時(shí)最好采用對(duì)稱(chēng)，甚至可以采用2個(gè)對(duì)稱(chēng)（E 和H 對(duì)稱(chēng)），將可以大大節(jié)約時(shí)間和設(shè)備資源。
2、面的使用
    在實(shí)際問(wèn)題中，有很多結(jié)構(gòu)是可以使用2 維面來(lái)代替的，使用2 維面的好處是可以極大的減少計(jì)算量并且結(jié)果與使用3 維實(shí)體相差無(wú)幾。例如計(jì)算一個(gè)微帶的分支線(xiàn)耦合器，印制板的微帶以及地都可以指定某些面為理想電面代替，這樣可以很快的獲得所需要的物理尺寸及其性能。再以計(jì)算偶極子為例，如果偶極子是以理想導(dǎo)體為材質(zhì)的圓柱，那么相同的其他條件下其計(jì)算時(shí)間大約是采用等效面為偶極子的4～5 倍，由此可見(jiàn)一般。
3、Lump Port（集中端口）的使用
    在HFSS8 里提供了一種新的激勵(lì)：Lump Port，這種激勵(lì)避免了建立一個(gè)同軸或者波導(dǎo)激勵(lì)，從而在一定程度上減輕了模型量，也減少了計(jì)算時(shí)間。LumpPort 也可以使用一個(gè)面來(lái)代表，要注意的是對(duì)該P(yáng)ort 的校準(zhǔn)線(xiàn)和阻抗線(xiàn)的設(shè)置一定要準(zhǔn)確，端口在空間上一定要與其他金屬（或電面）相接，否則結(jié)果極易出錯(cuò)。
4、關(guān)于輻射邊界的問(wèn)題
    在不需要求解近（遠(yuǎn)）場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，比如密封在金屬箱體里面的濾波器等密閉問(wèn)題，無(wú)需設(shè)置輻射邊界。在需要求解場(chǎng)分布或者方向圖時(shí)，必須設(shè)置輻射邊界。這里有些需要注意的問(wèn)題：在計(jì)算大帶寬周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，比如3 個(gè)倍頻程，最好分段計(jì)算，例如以一個(gè)倍頻程為一段，也就是說(shuō)在不同的頻段計(jì)算時(shí)設(shè)置不同大小的輻射邊界，否則在計(jì)算的頻率邊緣難以保證計(jì)算精度；其次，輻射邊界的大小和問(wèn)題的具體形狀密切相關(guān)，如果物體的外部輪廓可以裝在一個(gè)球或并不過(guò)分的橢球中時(shí)，宜采用立方體邊界——簡(jiǎn)單有效，如果問(wèn)題的外部輪廓較為復(fù)雜或者橢球2 軸差距太大，以采用相似形邊界或圓柱邊界，對(duì)于輻射問(wèn)題，如果估計(jì)問(wèn)題的增益較低（比如2dB），那么邊界宜采用球形，此時(shí)為了得到結(jié)果準(zhǔn)確也只好犧牲時(shí)間了；另在HFSS 8 中提供了一種新的吸收邊界——PML 邊界條件，對(duì)于這種邊界，筆者并不是很滿(mǎn)意，盡管其有效距離為八分之一個(gè)中心波長(zhǎng)——是老邊界的一半，可以減少計(jì)算量，然而這種邊界由程序自己生成，為一個(gè)立方體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些特殊的復(fù)雜問(wèn)題，這種邊界內(nèi)部有很多的空間是無(wú)用的，此時(shí)還不如使用老邊界靈活。
5、關(guān)于開(kāi)孔
    有些問(wèn)題需要在壁上開(kāi)孔，此時(shí)可以采用2 種辦法，其一是老老實(shí)實(shí)的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue 邊界條件，通常，如果是在面上開(kāi)孔，將會(huì)采用后者，簡(jiǎn)單，便于修改。
6、關(guān)于網(wǎng)格劃分
    當(dāng)模型建立好了之后，進(jìn)入計(jì)算模塊，第一步是給問(wèn)題劃分網(wǎng)格。對(duì)于一般問(wèn)題，讓軟件自動(dòng)劃分比較省心，但對(duì)大型問(wèn)題和復(fù)雜問(wèn)題，讓軟件自己劃分可能需要很好的耐性來(lái)等待。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在大型模型的結(jié)構(gòu)密集區(qū)域或場(chǎng)敏感區(qū)域使用人工劃分可以得到很好的效果，有些問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果開(kāi)始表現(xiàn)為收斂，但進(jìn)一步提高精度，卻又反彈，問(wèn)題就在于開(kāi)始時(shí)場(chǎng)敏感區(qū)域的網(wǎng)格劃分不夠仔細(xì)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差。
7、關(guān)于所需要的精度
    計(jì)算問(wèn)題時(shí)，一般需要給定一個(gè)收斂精度和計(jì)算次數(shù)以避免程序“陷入計(jì)算而無(wú)法自拔”，當(dāng)對(duì)模型熟悉后，可以單單靠給定次數(shù)。在問(wèn)題之初，建議的計(jì)算精度不要太高，實(shí)際中曾見(jiàn)到有操作者將問(wèn)題的S 參數(shù)精度設(shè)定為0.00001，其實(shí)這是完全沒(méi)有必要的，一般S 參數(shù)的精度設(shè)定為0.02 左右就已經(jīng)可以滿(mǎn)足絕大部分問(wèn)題的需要（此時(shí)應(yīng)該注意有無(wú)收斂反彈的情況）。如果是計(jì)算次數(shù)，對(duì)于密閉問(wèn)題，建議是設(shè)定為8～12 次，對(duì)于輻射問(wèn)題，一般計(jì)算6～8 次左右即可觀(guān)察結(jié)果，如果不夠再?zèng)Q定是否繼續(xù)計(jì)算。
8、關(guān)于掃描
    HFSS 提供一個(gè)掃描功能，分3 種方式：快速、離散和插值。其中離散掃描只保留最后一個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)結(jié)果，其計(jì)算時(shí)間是單個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算時(shí)間之和；對(duì)快速掃描，將可以得到所計(jì)算的頻率范圍內(nèi)的所有頻率場(chǎng)結(jié)果，但是其計(jì)算速度和頻點(diǎn)多少關(guān)系不大，基本和模型復(fù)雜程對(duì)積比，有時(shí)掃描計(jì)算的時(shí)間非常長(zhǎng)，如果不是特別需要關(guān)心所有的場(chǎng)情況，建議選用離散掃描，對(duì)于特別巨大的問(wèn)題，則是以快速掃描為宜。而插值方式比較少用。
9、關(guān)于問(wèn)題的規(guī)模
    HFSS 所能計(jì)算的問(wèn)題規(guī)模與計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系很大，其次是所使用的操作系統(tǒng)。在HFSS8 里，問(wèn)題描述矩陣的階基本和網(wǎng)格數(shù)正比，對(duì)于四面體上10 萬(wàn)的問(wèn)題也能游刃有余（只要機(jī)器夠好），然而這并非是指實(shí)際問(wèn)題的電尺寸，實(shí)際上，要精確計(jì)算一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜接頭（RJ45）所需要的時(shí)間和資源并不比計(jì)算一個(gè)有一個(gè)波長(zhǎng)電尺寸的一般輻射問(wèn)題少多少，所以實(shí)際上其計(jì)算規(guī)模的主要約束是問(wèn)題的復(fù)雜程度，而復(fù)雜程度里面包含了電尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等要素。由此提醒我們建模時(shí)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化模型。一般來(lái)說(shuō)，除了在激勵(lì)區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)電尺寸比二十分之一波長(zhǎng)還小時(shí)，可以忽略它的存在而不會(huì)引入明顯的誤差，這一點(diǎn)在解決問(wèn)題之初很有效，可以迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵；當(dāng)問(wèn)題的主要要求滿(mǎn)足
后，再將模型細(xì)化以獲得更加精確的結(jié)果。
    以上就HFSS 使用的各個(gè)方面總結(jié)了一些心得，以供大家參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng) 交流指正，先謝過(guò)！